### Linux内核分析—内存篇
#### 内存布局与管理概述
Linux内核的内存管理是操作系统核心功能之一，负责高效地分配和回收物理内存资源。为了更好地理解这一复杂的过程，本文将深入探讨Linux内核如何管理和组织内存资源。
#### 内存布局
Linux内核将内存分为几个关键部分：
- **主内存**（Main Memory）：这部分内存主要用于存储进程的数据和代码等。`main_memory_start`表示主内存的起始地址，其最小值可能为1MB；`memory_end`标识主内存的结束地址，最大值可能达到16MB。
- **高速缓存**（High-speed Cache）：用于临时存储频繁访问的数据，以减少对主内存的访问次数。
- **RAM**：即随机访问存储器，是计算机的主内存区域。
#### 内存管理数据结构
为了有效地跟踪和管理物理内存页面，Linux内核使用了特定的数据结构：
- **mem_map**：这是一个位于`memory.c`文件中定义的静态数组（`static unsigned char mem_map[PAGING_PAGES] = {0,};`），用于记录每一页物理内存的分配状态。数组中的每个元素表示对应页面的分配次数：
- `0` 表示该页面尚未被分配；
- `n` 表示页面已被分配，并且正被`n`个进程使用。
- **物理页面属性**：要管理好物理页面，需要掌握以下属性：
- **是否被分配**：表示页面是否已被某个进程使用。
- **共享程度**：页面被多少个对象共同使用。
- **访问权限**：页面是否可写或者只读。
- **访问标记**：页面是否已经被访问过。
- **修改标记**：页面是否已经被修改。
#### 物理页面开始地址与映射数组下标
Linux内核通过一组宏定义来转换物理页面地址到数组下标以及反之：
- **从物理页面开始地址到数组下标**：`#define MAP_NR(addr) (((addr) - LOW_MEM) >> 12)`，其中`LOW_MEM`定义为0x100000。
- **从数组下标到物理页面开始地址**：数组下标左移12位加上`LOW_MEM`值。
#### 内存管理模块接口
Linux内核的内存管理模块提供了一系列接口供其他内核组件调用：
- **get_free_page()**：分配一个未使用的物理页面。
- **free_page()**：释放一个物理页面。
- **copy_page_tables()** 和 **free_page_tables()**：分别用于复制和释放页面表。
- **page_fault()**：处理页面错误异常。
#### 内存管理初始化
内核启动时会调用内存管理初始化函数`mem_init()`，该函数的主要任务是设置主内存的起始和结束位置，并初始化`mem_map`数组。
```c
void mem_init(long start_mem, long end_mem) {
int i;
HIGH_MEMORY = end_mem;
for (i = 0; i < PAGING_PAGES; i++) {
mem_map[i] = USED;
}
i = MAP_NR(start_mem);
end_mem -= start_mem;
end_mem >>= 12;
while (end_mem-- > 0) {
mem_map[i++] = 0;
}
}
```
此函数接受两个参数：`start_mem`和`end_mem`，分别表示主内存的起始和结束位置。初始化过程中，首先将所有页面标记为已使用(`USED`)，然后将`start_mem`到`end_mem`之间的页面标记为未使用。
#### 分配物理页面
分配物理页面的功能由`get_free_page()`实现，该函数采用汇编语言编写，目的是提高性能。具体步骤如下：
1. **搜索未使用的页面**：使用`scasb`指令扫描`mem_map`数组，寻找第一个值为0的元素。
2. **标记页面**：找到未使用的页面后，将其在`mem_map`数组中的值设为1。
3. **更新页面表**：将页面表更新为新分配的页面。
4. **返回结果**：如果成功分配页面，则返回该页面的起始地址；否则返回0。
#### 回收物理页面
`free_page()`函数负责释放物理页面，主要操作包括检查页面地址的有效性，并更新`mem_map`数组中相应的页面状态。
```c
void free_page(unsigned long addr) {
if (addr < LOW_MEM) {
// ... 处理逻辑
}
}
```
该函数首先检查`addr`是否小于`LOW_MEM`，确保要释放的地址位于合法的内存范围内。后续的具体实现细节取决于实际的需求和上下文环境。
#### 总结
通过对Linux内核内存管理机制的分析，我们可以看到内核是如何通过一系列精巧的设计来管理物理内存资源的。这些机制不仅提高了内存使用的效率，也为系统的稳定性和性能提供了坚实的保障。对于深入研究操作系统原理和优化系统性能具有重要的意义。
